基于HFSS的天線設(shè)計(jì)

1、基于HFSS的天線設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦秒姶跑浖嗀nsoft HFSS設(shè)計(jì)一款微帶天線。微帶天線要求：工作頻率為2.5GHz，帶寬 (回波損耗S11<-10dB)大于5%。在仿真實(shí)驗(yàn)的幫助下對(duì)各種微波元件有個(gè)具體形象的了解。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、微帶天線簡(jiǎn)介微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)20年左右的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀(jì)70年代初期制造出了實(shí)際的微帶天線。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無(wú)線通信中。圖1：微帶天線的結(jié)構(gòu)圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射源、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能

2、相關(guān)的參數(shù)包括輻射源的長(zhǎng)度L、輻射源的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切、介質(zhì)層的長(zhǎng)度LG和寬度WG。圖1所示的微帶貼片天線是采用微帶天線來(lái)饋電的，本次將要設(shè)計(jì)的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內(nèi)心線穿過(guò)參考地和介質(zhì)層與輻射源相連接。對(duì)于矩形貼片微帶天線，理論分析時(shí)可以采用傳輸線模型來(lái)分析其性能，矩形貼片微帶天線的工作主模式是TM10模，意味著電場(chǎng)在長(zhǎng)度L方向上有的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長(zhǎng)度L方向上可以看做成有兩個(gè)終端開(kāi)路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開(kāi)路，所以電壓值最大電流值最小。從圖2（b）可以看出

3、，微帶線邊緣的電場(chǎng)可以分解成垂直于參考地的分量和平行于參考地的分量?jī)刹糠?，兩個(gè)邊緣的垂直電場(chǎng)分量大小相等、方向相反，平行電場(chǎng)分量大小相等，方向相反；因此，遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)垂直分量相互抵消，輻射電場(chǎng)平行于天線表面。（a）俯視圖 （b）側(cè)視圖圖2 矩形微帶貼片天線的俯視圖和側(cè)視圖2、天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算公式假設(shè)矩形貼片的有效長(zhǎng)度設(shè)為，則有（1-1）式中，表示波導(dǎo)波長(zhǎng)，有（1-2）式中，表示自由空間波長(zhǎng)，表示有效介電常數(shù)，且（1-3）式中，表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，h表示介質(zhì)層厚度，W表示微帶貼片的寬度。由此，可計(jì)算出矩形貼片的實(shí)際長(zhǎng)度L，有（1-4）式中，表示真空中的光速，表示天線的工作頻率，表示圖

4、2（a）中所示的等效輻射縫隙的長(zhǎng)度，且有（1-5）矩形貼片的寬度W可以由下式計(jì)算：（1-6）對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長(zhǎng)度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗，在微波應(yīng)用中通常是使用50的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此炫耀確定饋點(diǎn)的位置是天線的輸入阻抗等于50。對(duì)于圖3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片的中心，以（）表示饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)。圖3 同軸線饋電的微帶天線對(duì)于TM10模式，在W方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變，因此理論上W方向上的任一點(diǎn)都可以作為饋點(diǎn)，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上饋點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)，即（1-7）在L方向上電場(chǎng)有的改變，因

5、此在長(zhǎng)度L方向上，從中心到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，輸入阻抗等于50的饋點(diǎn)位置可由下式計(jì)算：（1-8）式中，（1-9）上述分析都是基于參考地平面是無(wú)限大的基礎(chǔ)上的，然而實(shí)際設(shè)計(jì)中，參考地都是有限面積的，理論分析證明了當(dāng)參考地平面比微帶貼片大出的距離時(shí)。計(jì)算結(jié)果就可以達(dá)到足夠的準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)中參考地的長(zhǎng)度和寬度只需滿足以下兩式即可，即（1-10）（1-11）三、 實(shí)驗(yàn)步驟1、設(shè)計(jì)指標(biāo)和天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)的矩形微帶天線的中心頻率為2.5GHz，選用的介質(zhì)板材為Rogers RO4003，其相對(duì)介電常數(shù)，厚度=5mm，天線使用同軸線饋電。根據(jù)上面的推導(dǎo)公式來(lái)計(jì)算微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長(zhǎng)度L

6、和寬度W、同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（），以及參考地的長(zhǎng)度和寬度。(1)、矩形貼片的寬度W把代入式（1-6），可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度，即(2)、有效介電常數(shù)把代入式（1-3），可以計(jì)算出有效介電常數(shù)，即(3)、輻射縫隙的長(zhǎng)度把代入式（1-5），可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的長(zhǎng)度，即(4)、矩形貼片的長(zhǎng)度L把代入式（1-4），可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的長(zhǎng)度，即(5)、參考地的長(zhǎng)度和寬度把分別代入式（1-10）和（1-11），可以計(jì)算出微帶天線參考地的長(zhǎng)度和寬度，即 (6)、同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（）把分別代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以計(jì)算出微帶天線同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（），

7、即 2、HFSS設(shè)計(jì)和建模概述(1)、建模概述本設(shè)計(jì)天線是使用同軸線饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS工程可以選擇模式驅(qū)動(dòng)求解類(lèi)型。在HFSS中如果需要計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)，必須設(shè)置輻射邊界表面或者PML邊界表面，這里使用輻射邊界條件，為了保證計(jì)算得準(zhǔn)確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個(gè)波長(zhǎng)。因?yàn)槭褂昧溯椛溥吔绫砻?，所以同軸線饋線的信號(hào)輸入/輸出端口位于模型內(nèi)部，因此端口激勵(lì)方式需要定義集總端口激勵(lì)。參考地和微帶貼片使用理想導(dǎo)體來(lái)代替，在HFSS中可以通過(guò)給一個(gè)二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件的方式模擬理想薄導(dǎo)體。參考地放置于坐標(biāo)系中的平面上，由之前計(jì)算出的參考地長(zhǎng)度，寬度，這里參考地長(zhǎng)度和寬度都

8、取。介質(zhì)層位于參考地的正上方，其高度為5mm，長(zhǎng)度和寬度都取。微帶貼片放置于的平面上，根據(jù)之前計(jì)算出的其長(zhǎng)度和寬度的初始值分別為長(zhǎng)度，寬度，設(shè)置其長(zhǎng)度沿著軸方向，寬度沿著軸方向.使用半徑為的圓柱體模擬同軸線的內(nèi)芯，圓柱體與軸平行放置，圓柱體的底面圓心坐標(biāo)為（）。設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導(dǎo)體（pec），圓柱體頂部與微帶貼片相接，底部與參考地相接，在與圓柱體相接的參考地面上需要挖出一個(gè)半徑的圓孔，作為信號(hào)輸入輸出端口，該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)，使用HFSS分析設(shè)計(jì)天線一類(lèi)的輻射問(wèn)題，在模型建好之后，用戶還必須設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個(gè)波長(zhǎng)，2.5GHz時(shí)自由

9、空間中1/4個(gè)波長(zhǎng)約為,所以在這里設(shè)置輻射邊界表面距離微帶天線，整個(gè)微帶天線模型（包括參考地、介質(zhì)層和微帶貼片）的長(zhǎng)寬高為，所以輻射邊界表面的長(zhǎng)寬高可以設(shè)置為。為了方便后續(xù)參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在建模時(shí)分別定義設(shè)計(jì)變量Length、Width和Xf來(lái)表示微帶貼片的長(zhǎng)度、寬度和同軸線的饋點(diǎn)位置。(2)、HFSS設(shè)計(jì)環(huán)境概述求解類(lèi)型：模式驅(qū)動(dòng)求解建模操作：模型原型：長(zhǎng)方體、圓柱體、矩形面、圓面模型操作：相減操作邊界條件和激勵(lì)邊界條件：理想導(dǎo)體邊界、輻射邊界端口激勵(lì)：集總端口激勵(lì)求解設(shè)置求解頻率：2.5GHz掃頻設(shè)置：快速掃描，掃頻范圍為1.53.5GHz參數(shù)掃面分析優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃頻

10、曲線，天線方向圖，Smith圓圖等。3、創(chuàng)建微帶天線模型(1)、設(shè)置求解類(lèi)型為Driven Model和默認(rèn)的長(zhǎng)度單位為mm。(2)、創(chuàng)建參考地在的平面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)位于，大小為的矩形面作為參考地，命名為GND，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。(3)、創(chuàng)建介質(zhì)板層創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)寬高為的長(zhǎng)方體作為介質(zhì)板層，介質(zhì)板層的底部位于參考地上（即的平面上），其頂點(diǎn)坐標(biāo)為，介質(zhì)板的材料為Rogers RO4003，介質(zhì)板層命名為Substrate。(4)、創(chuàng)建微帶貼片在的平面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為，大小為的矩形圖作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。(5)、創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯創(chuàng)建一個(gè)圓柱體作為同

11、軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體的半徑為，長(zhǎng)度為，圓柱體底部圓心坐標(biāo)為，材料為理想導(dǎo)體，同軸饋線命名為Feedline。(6)、創(chuàng)建信號(hào)傳輸端口面同軸饋線需要穿過(guò)參考地面，傳輸信號(hào)能量。因此，需要在參考地面GND上開(kāi)一個(gè)圓孔允許傳輸能量。圓孔的半徑為，圓心坐標(biāo)為，并將其命名為Port。在執(zhí)行ModelerBooleanSubstrate命令時(shí)，打開(kāi)如下圖所示的Subtract對(duì)話框，確認(rèn)對(duì)話框的Blank Parts欄顯示的是GND，Tools Parts欄顯示的是Port，表明使用參考地模型GND減去圓面Port，并且為了保留圓面Port本身，需要選中對(duì)話框的Clone tool objects bef

12、ore subtracting復(fù)選框。(7)、創(chuàng)建輻射邊界條件創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為，長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高為。長(zhǎng)方體模擬自由空間，因此材質(zhì)是真空，長(zhǎng)方體命名為Air。創(chuàng)建好這樣的一個(gè)長(zhǎng)方體之后，設(shè)置其四周表面為輻射邊界條件。4、設(shè)置激勵(lì)端口設(shè)置同軸線信號(hào)端口面（即圓面Port）的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)。起點(diǎn)坐標(biāo)為，分別為1、0、0。5、求解設(shè)置天線的中心頻率為2.5GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率（即自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)部分頻率）為2.5GHz，同時(shí)添加1.5GHz3.5GHz的掃頻設(shè)置，分析天線在1.5GHz3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗或者電壓駐波比。如果天線的回波損耗或者電壓駐波比掃頻結(jié)果顯示頻率

13、沒(méi)有落在2.45GHz上，還需要添加參數(shù)掃描分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點(diǎn)的位置，以達(dá)到良好的天線性能。6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析通過(guò)前面的操作，已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等HFSS設(shè)計(jì)的前期工作，接下來(lái)就可以運(yùn)行仿真計(jì)算，并查看分析結(jié)果了。在運(yùn)行仿真計(jì)算之前，通常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，檢查設(shè)計(jì)的完整性和正確性。通過(guò)HFSSValidation Check命令，進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，彈出的“檢查結(jié)果顯示”對(duì)話框中的每一項(xiàng)都顯示圖標(biāo)，表示當(dāng)前的HFSS設(shè)計(jì)正確、完整。下面就可以運(yùn)行相關(guān)的仿真計(jì)算了。7、查看天線諧振點(diǎn)查看天線信號(hào)端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結(jié)果，給出天線的諧振點(diǎn)

14、。生成如圖所示的S11在1.53.5GHz頻段內(nèi)的掃頻曲線報(bào)告。從圖中可以看出，當(dāng)S11最小時(shí)，頻率是2.4167GHz。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果由上圖所示的S11掃頻曲線報(bào)告可知，根據(jù)計(jì)算的尺寸設(shè)計(jì)出的微帶天線諧振頻率點(diǎn)在2.4167GHz，與期望的中心頻率2.5GHz相比，存在一定的誤差，所以需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線的諧振頻率落在2.5GHz上。根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率由微帶天線的長(zhǎng)度和寬度決定，貼片尺寸越小諧振頻率越高。首先使用參數(shù)掃描分析功能進(jìn)行參數(shù)掃描分析，分析諧振頻率點(diǎn)分別隨著微帶貼片長(zhǎng)度Length和寬度Width的變化關(guān)系，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化微帶貼片長(zhǎng)度Lengt

15、h和寬度Width，使天線的諧振頻率落在2.5GHz上，帶寬同時(shí)也滿足設(shè)計(jì)要求的5%以上。1、參數(shù)掃描分析(1)、變量Length的掃描分析在工程樹(shù)下的Optimctrics節(jié)點(diǎn)下，添加掃描方式是LinerStep的變量Length，掃描范圍是28mm31mm，間隔是0.5mm。運(yùn)行參數(shù)掃描分析，可以生成如下圖所示的一組S11曲線報(bào)告圖，每一條曲線對(duì)應(yīng)不同的Length變量值。從上圖的S11曲線報(bào)告可以看出，當(dāng)微帶貼片的寬度固定時(shí)，微帶天線的諧振頻率隨著微帶貼片長(zhǎng)度Length的減小而變大。當(dāng)Length=28.5mm時(shí)，諧振頻率點(diǎn)約為2.5GHz。(2)、變量Width的掃描分析在工程樹(shù)下的

16、Optimctrics節(jié)點(diǎn)下，添加掃描方式是LinerStep的變量Width，掃描范圍是39mm42mm，間隔是0.5mm。運(yùn)行參數(shù)掃描分析，可以生成如下圖所示的一組S11曲線報(bào)告圖，每一條曲線對(duì)應(yīng)不同的Width變量值。從上圖所示的S11曲線報(bào)告中可以看出，當(dāng)微帶貼片長(zhǎng)度Length固定時(shí)，微帶貼片寬度Width的改變對(duì)矩形微帶天線諧振頻率點(diǎn)的影響很小。2、優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)上面的參數(shù)掃描分析，可以知道微帶貼片長(zhǎng)度Length的變化對(duì)矩形微帶天線諧振頻率的影響顯著，而微帶貼片寬度Width的變化對(duì)矩形微帶天線諧振頻率點(diǎn)的影響很小。當(dāng)Length=28.5mm，Width=39.78mm時(shí)，諧振頻

17、率約為2.5GHz。因此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需要優(yōu)化變量Length，并可以設(shè)置Length的優(yōu)化范圍為28mm29mm。優(yōu)化算法選擇SNLP，目標(biāo)函數(shù)取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1)的最小值。從顯示的優(yōu)化結(jié)果中可以看出，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值最小的時(shí)候，其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化變量Length28.69mm。3、查看優(yōu)化后的天線性能由上面的參數(shù)掃描分析可知，當(dāng)Length=28.69mm，Width=39.78mm時(shí)，天線的諧振頻率點(diǎn)在2.5GHz。以下將變量設(shè)置為上述優(yōu)化值，查看天線的各種性能。(1)、查看S11參數(shù)在S11掃描曲線報(bào)告里標(biāo)注出最小值點(diǎn)， 當(dāng)Length=28.69mm,W

18、idth=39.78時(shí)，天線的諧振頻率點(diǎn)在2.5GHz，此時(shí)S11-21.33。Length=28.69mm,Width=39.78時(shí)S11的掃描曲線(2)、查看S11參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果在報(bào)告圖中標(biāo)記處2.5GHz的位置，標(biāo)記處顯示在2.5GHz時(shí)，天線的歸一化輸入阻抗為（0.9258-j0.1482）。S11的Smith圓圖結(jié)果(3)、查看天線的三維增益方向圖從三維增益方向圖中可以看出該微帶貼片最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，即軸方向，最大增益約為7.5dB。三維增益方向圖 (4)、查看平面方向圖查看天線E平面的方向圖，該微帶天線的E平面位于平面上。生成的曲線報(bào)告為：E平面增益方向圖

19、(5)、查看電壓駐波比電壓駐波比報(bào)告圖在VSWR的報(bào)告圖的2.45GHz和2.55GHz位置做標(biāo)記，可見(jiàn)在2.45GHz2.55GHz頻段，VSWR<1.77。五、 實(shí)驗(yàn)分析通過(guò)之前的計(jì)算和仿真，可以發(fā)現(xiàn)由原理公式推導(dǎo)出來(lái)的Length和Width的參數(shù)并不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。但通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)掃描處理后，得到的參數(shù)使得設(shè)計(jì)的天線達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求：工作頻為2.5GHz，帶寬 (回波損耗S11<-10dB)為5.72%（143MHz），大于5%（125GHz）。六、 實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)說(shuō)實(shí)話，在此次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前，我對(duì)HFSS這個(gè)軟件的認(rèn)知幾乎是一片空白，而對(duì)天線的設(shè)計(jì)也只是停留在簡(jiǎn)

20、單的想法上，并不確切知道與天線相關(guān)的參數(shù)有哪些，各個(gè)參數(shù)又是怎樣影響天線性能的，而要想設(shè)計(jì)一個(gè)天線又要經(jīng)過(guò)一個(gè)怎樣的過(guò)程。不過(guò)，經(jīng)過(guò)此次天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，首先我對(duì)HFSS這個(gè)軟件的功能和操作有了較好的掌握，知道了怎樣利用該軟件完成天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。而在設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程當(dāng)中，也對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)有了更加詳盡的了解，對(duì)其是如何影響天線的性能有了深刻和直觀的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)之初，我首先根據(jù)一個(gè)教程設(shè)計(jì)一款天線(見(jiàn)附圖1)，但是經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，工作頻率是達(dá)到了要求，可帶寬卻只有設(shè)計(jì)要求的一半左右（結(jié)果見(jiàn)附圖2，帶寬為60MHz），雖然也想了其他方法來(lái)優(yōu)化，但在帶寬變寬的過(guò)程中工作頻率也發(fā)生了較大的變化，最后實(shí)在沒(méi)辦法了（這是一個(gè)較大的遺憾），就重新根據(jù)另外一個(gè)教程做了上面的這個(gè)天線，該天線滿足了所有的設(shè)計(jì)要求。失敗的原因，我感覺(jué)首先還是對(duì)這個(gè)軟件的使用不是很熟悉，另外對(duì)天線性能的優(yōu)化沒(méi)有一個(gè)明確的思路，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的天線結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)也不是很清楚，所以不能在帶寬和頻率之間的調(diào)節(jié)中找到平衡點(diǎn)，即可以讓雙方都滿足要求的天線尺寸。但是在此次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我也得到了一些經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，首先端口的激勵(lì)是如何設(shè)置的，如何添加積分線等。在仿真的過(guò)程